關(guān)鍵詞 PDC 鉆頭齒；直線切削實驗；旋轉(zhuǎn)切削實驗；落錘沖擊實驗；PDC 單齒靜壓實驗；全尺寸PDC鉆頭實驗

中圖分類號 TQ164; TG74; TG58 文獻標(biāo)志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）05-0553-15

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0155

收稿日期 2023-08-01 修回日期 2023-08-16

自2000 年起，隨著科研人員對PDC 鉆頭齒破巖機理的深化理解和超硬材料科學(xué)與生產(chǎn)工藝的不斷進步，PDC 鉆頭在石油和天然氣鉆井工程中的應(yīng)用逐漸普及。如今，PDC 鉆頭在油氣鉆井領(lǐng)域占據(jù)了超過80% 的市場份額，貢獻了90% 以上的全球鉆井進尺，幾乎成為全球高端鉆頭市場的主導(dǎo)力量[1]。PDC 鉆頭齒的技術(shù)進步極大地推動了油氣鉆井工程的效益增長，然而，其有限的耐磨性、熱穩(wěn)定性和抗沖擊性仍是制約PDC 鉆頭齒更廣泛應(yīng)用的因素。因此，研究PDC 鉆頭齒本身的材料特性及其破巖機理，存在著廣闊的創(chuàng)新空間和潛力巨大的工業(yè)應(yīng)用前景。

破巖機理的研究主旨在于揭示PDC 鉆頭齒的幾何參數(shù)、鉆頭幾何參數(shù)和鉆井參數(shù)等對巖石破碎規(guī)律的影響，從而優(yōu)化PDC 鉆頭齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高PDC鉆頭齒與PDC 鉆頭的破巖效率。另一方面，性能測試研究的目標(biāo)主要是評估PDC 鉆頭齒的關(guān)鍵性能，尤其是耐磨性、熱穩(wěn)定性和抗沖擊性，為優(yōu)化PDC 鉆頭齒和PDC 鉆頭的個性化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

許多國內(nèi)外學(xué)者對PDC 鉆頭齒的破巖機理和性能測試進行了深入的研究，并制造了各式各樣的實驗設(shè)備，設(shè)計了多種實驗方法，其研究成果有效地推動了PDC 鉆頭齒破巖效率的提升。

1 直線切削實驗

直線切削實驗始于美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院。20世紀70 年代，科羅拉多礦業(yè)學(xué)院設(shè)計并建造了1 臺直線破巖模擬實驗臺，能夠?qū)λ袡C械破巖刀具進行切削實驗[2]。直線破巖作為旋轉(zhuǎn)破巖的簡化方式，已經(jīng)在地下工程、礦業(yè)工程、石油鉆井中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。由于其避免了切削過程的復(fù)雜性，被認為是揭示巖石切削機理最直接的方法[5]。但是直線切削實驗裝置簡單，測試距離過短，且將PDC 鉆頭齒的井下破巖過程過度簡化，只能用于具有明顯區(qū)別特征參數(shù)的簡單定性分析，如錐形齒與圓形齒破巖機理的差異分析等。而且，直線切削實驗無法用于測試PDC 鉆頭齒的耐磨性與熱穩(wěn)定性。

目前常用的直線切削實驗裝置主要包括以下幾種：鉆銑車床改裝的直線切削實驗裝置、牛頭刨床改裝的實驗裝置、立式銑床改裝直線破巖實驗裝置、刮切破碎實驗裝置、線性巖石切削實驗裝置、刻劃測試裝置。

1.1 鉆銑車床改裝的直線切削實驗裝置

經(jīng)過特殊改造的鉆銑床形成了如圖1 所示的PDC鉆頭齒直線破巖實驗裝置[6]。該裝置由車床、巖樣固定設(shè)備、錐形PDC 鉆頭齒夾具、測力計、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、巖樣和錐形PDC 鉆頭齒等組成。

在實驗過程中，首先將表面平整的巖石樣本固定在工作臺上，并通過夾具設(shè)定錐形PDC 鉆頭齒的后傾角。通過車床的壓力裝置設(shè)定垂直方向上的壓力，使PDC 鉆頭齒吃入巖石。隨著電機驅(qū)動，鉆銑床的工作臺和巖石樣本進行勻速直線運動，使得PDC 鉆頭齒切削巖石并形成溝槽。切削過程中，PDC 鉆頭齒所承受的水平切削力會通過測力計中的傳感器進行實時測量，而相關(guān)數(shù)據(jù)則由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄、顯示和儲存，同時切削深度由百分表測量。值得注意的是，當(dāng)前實驗并未提出“巖石樣本表面平整”的量化標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)文獻中也極少明確這個標(biāo)準(zhǔn)。建議在未來的實驗中，為減小人為誤差，應(yīng)通過機械加工來制作實驗巖石樣本，同時巖石樣本的平整度偏差應(yīng)不超過實驗最小切削深度的10%。

在圖1 的實驗裝置上，鄒德永等[6] 選擇了2 種不同錐頂角的錐形齒進行玄武巖切削實驗，錐形齒的破巖效果通過相同垂直壓力下的切削深度和水平切削力進行綜合評價。結(jié)果顯示：在相同后傾角和切削深度條件下，錐頂角較小的錐形齒需要的水平切削力較小，更易破碎巖石。同樣在這個實驗裝置上，孫源秀等[7] 進行了錐形齒和圓形齒切削不同巖性巖石的對比實驗，實驗結(jié)果表明：在相同的鉆壓下，一旦鉆壓超過某一定值，錐形齒在石灰?guī)r和玄武巖上的切削深度逐漸超過圓形齒的切削深度；且在高鉆壓環(huán)境下，相較于圓形齒，錐形齒更適合切削硬質(zhì)巖石。

圖1 所示的直線切削實驗裝置占用空間小，操作便捷，實驗成本較低，優(yōu)勢明顯。短距離的直線切削破巖至少可達成3 個實驗?zāi)繕?biāo)：（1）研究不同PDC 鉆頭齒幾何結(jié)構(gòu)對破巖效率的影響；（2）研究鉆壓、后傾角、切削速度、切削深度等切削參數(shù)對PDC 鉆頭齒破巖效率的影響；（3）研究不同巖性巖石對PDC 鉆頭齒切削效率的影響。然而，此實驗裝置僅能實現(xiàn)短距離的直線切削，且切削過程不連續(xù)，無法完成PDC 鉆頭齒的耐磨性和熱穩(wěn)定性測試。此外，實驗中的直線切削運動軌跡與PDC 鉆頭齒在井下實際作業(yè)時的連續(xù)螺旋運動軌跡有較大差異。

1.2 牛頭刨床改裝的實驗裝置

牛頭刨床經(jīng)過改裝后，形成如圖2 所示的PDC 鉆頭齒直線破巖實驗裝置[8]。該裝置由牛頭刨床、巖樣夾持裝置、載荷傳感器（切向和軸向）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PDC 鉆頭齒等部分組成。

實驗操作過程如下：首先，將表面平整的巖樣固定在夾持裝置上；接著，調(diào)整刨床刀架以設(shè)定PDC 鉆頭齒的切削深度，然后鎖緊刀架以固定切削深度；啟動刨床后，刨床滑枕將驅(qū)動PDC 鉆頭齒進行直線運動。在切削過程中，位于巖石與夾持裝置之間的傳感器能實時測量巖樣在x 方向和y 方向受到的力，如圖2 所示。根據(jù)作用力相互作用的原理，能得到PDC 鉆頭齒的受力數(shù)據(jù)。

孫源秀等[8] 在圖2 所示的實驗裝置上進行了不同錐頂弧面曲率的錐形齒切削實驗，并以軸向力和切向力為衡量指標(biāo)。實驗結(jié)果表明：在相同切削深度條件下，錐形齒所受的軸向力和切向力隨著錐頂弧面曲率的減小而線性增大。這意味著，錐形齒越尖銳，所需的軸向力和切向力越小，從而更容易吃入巖石。

姜鑫等[9] 利用圖2 所示的實驗裝置進行了PDC 鉆頭齒沖擊巖石實驗。實驗過程中，刨床滑枕帶動PDC鉆頭齒以設(shè)定的速度沖擊巖樣， 以模擬實際鉆進中PDC 鉆頭齒的沖擊過程。實驗結(jié)果顯示：沖擊過程中的PDC 鉆頭齒同時受到x 方向和y 方向的沖擊力，而這2 種沖擊力都會隨著PDC 鉆頭齒切削速度的增大而線性增大。基于這些結(jié)果，建立了沖擊載荷的預(yù)測模型。

圖2 所示的實驗裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、實驗成本低等優(yōu)點。與圖1 鉆銑車床改裝的直線實驗裝置相比，該實驗裝置擁有x 和y 2 個方向的傳感器，能夠?qū)崟r測量這2 個方向的受力。此外，除了直線切削運動，該實驗裝置還能測試PDC 鉆頭齒與巖石接觸時的沖擊表現(xiàn)。然而，圖2 所示的實驗裝置存在一定的局限性。其無法施加壓力，只能以設(shè)定的切削深度從巖石的一端劃向另一端，無法同時完成向下壓入巖石并沿直線水平切削巖石的運動。同時，該實驗裝置的傳感器對于PDC 鉆頭齒受力的響應(yīng)是通過巖石傳遞完成的，因而只能適用于受力變形小的堅硬巖石，對于較軟且塑性大的巖石則不能準(zhǔn)確反應(yīng)切削齒的受力。

1.3 立式銑床改裝的直線破巖實驗裝置

如圖3 所示，由立式鉆銑車床改裝的直線破巖實驗裝置[10] 主要由立式銑床、機床工作臺、臺虎鉗、巖樣、PDC 鉆頭齒、夾具、刀座、應(yīng)變儀以及動態(tài)采集裝置組成。

實驗操作過程如下：首先，通過臺虎鉗將巖石固定在工作臺上；然后，調(diào)整旋轉(zhuǎn)刀架夾具以設(shè)定PDC 鉆頭齒的切削角度。工作臺的垂直移動可以改變切削深度，而通過改變工作臺水平方向的移動速度可進一步改變切削巖石的速度。在切削過程中，動態(tài)應(yīng)變采集裝置通過應(yīng)變儀來測量水平方向的切削力。

XIONG 等[10] 在圖3 所示的裝置上進行了錐形齒和圓形齒切削花崗巖實驗。實驗完成后，利用掃描電鏡觀察了巖石表面切削斷面的微觀形貌，并將其與實驗前在相同巖樣上進行的巴西劈裂實驗得到的拉應(yīng)力斷面微觀形貌以及剪切實驗得到的剪應(yīng)力斷面微觀形貌進行了對比。實驗結(jié)果顯示：錐形齒切削后巖石的斷面形狀與巴西劈裂實驗得到的拉應(yīng)力斷面微觀形貌相似，而圓形齒切削后的巖石斷面與剪應(yīng)力斷面微觀形貌相似。因此，提出了一個新的觀點：與傳統(tǒng)圓形齒的剪切破巖機理不同，當(dāng)錐形齒切削巖石時，巖石可能由于內(nèi)部產(chǎn)生了超過其自身抗拉強度的拉應(yīng)力而破碎。

CHENG 等[11] 利用高速攝像機記錄了在圖3 所示裝置上進行的巖石切削實驗過程。實驗結(jié)果表明，PDC 鉆頭齒并未按照設(shè)定的切削速度進行勻速切削。在PDC 鉆頭齒前方的巖石被壓縮成粉末的過程中，PDC 的運動速度相對較慢；而在剪切巖石以至裂紋擴展至自由面的過程中，PDC 的運動速度則較快，且前者幾乎主導(dǎo)了整個切削過程。

圖3 所示的實驗裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點，能夠完成不同切削角度、不同切削齒類型、不同切削速度和不同巖性巖石的切削實驗。然而，該實驗設(shè)備的切削力測量是借助應(yīng)變片實現(xiàn)的，在切削速度較高時，應(yīng)變片對切削力的動態(tài)響應(yīng)比動態(tài)壓電式傳感器的響應(yīng)要弱。

1.4 刮切破碎實驗裝置

圖4 展示了一種由牛頭刨床改裝的刮切破碎實驗裝置[12]， 主要包括牛頭刨床實驗機、三向力傳感器、PDC 復(fù)合片（含齒座）以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。與圖2所示的刨床改裝不同，該實驗裝置的三向力傳感器被固定在刀架上，而PDC 鉆頭齒則通過齒座固定在傳感器下方。

在進行實驗時，首先將巖樣放置在巖石夾持工具上，通過調(diào)整巖樣位置，確保其刮切面與刨床工作臺平行。隨后，將切削齒與三向力傳感器固定在刨床刀架上，并調(diào)整刀架位置，使切削齒的切削深度達到實驗設(shè)定的值。在對信號采集系統(tǒng)進行通道清零并開始采樣后，通過實驗機對巖樣進行直線刮切。

楊迎新等[12] 在圖4 所示的刮切破巖實驗臺上，對表面平整的巖樣以及帶有不同寬度、高度的“巖脊”巖樣進行了單齒切削實驗。實驗結(jié)果顯示：在相同切削深度條件下，PDC 鉆頭齒在具有“巖脊”的巖樣上破巖所需的軸向力和切向力更小，同時產(chǎn)生的塊狀巖屑更大。實驗數(shù)據(jù)顯示：在破碎比功最小時，巖脊的寬度為17.5 mm，高度為20.0 mm，這為環(huán)脊式PDC 鉆頭的高效破巖結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。

圖4 的實驗裝置除了具備刨床改裝實驗臺的特性外，其切削力傳感器與PDC 鉆頭齒直接相連的設(shè)計使得切削過程中對PDC 鉆頭齒切削力的測量更為靈敏。然而，該設(shè)備缺乏向下加壓的裝置，因此只能從巖樣一端開始進行直線切削，無法實現(xiàn)從巖石表面開始切削并逐漸深入巖石至一定深度的切削實驗。

1.5 線性巖石切削實驗裝置

圖5 為線性切削實驗臺結(jié)構(gòu)圖，是通過改裝數(shù)控銑床來實現(xiàn)的[5，13]。主要組件包括1 個可調(diào)整切削傾角的刀具架、PDC 鉆頭齒、巖石樣品、固定鉗、高速攝像機、三向切削力傳感器、單向加速度計以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。圖6 為線性切削實驗臺的內(nèi)部及外部。在實驗過程中，PDC 鉆頭齒被固定在銑削中心主軸的刀具夾上，而巖石樣品則被固定在與三向切削力傳感器相連的固定鉗中，如圖6a 所示。2 個加速度計被分別安裝在固定鉗和刀具架上，其測量方向與切削方向一致。如圖6b 所示：使用分辨率為1 280 × 1 024 像素，幀率達4 000 幀/s 的高速攝像機對巖屑形成過程進行可視化記錄。

CHE 等[5] 使用圖6 的實驗裝置進行巖石切削實驗，并利用高速攝像機對PDC 鉆頭齒的破巖機理進行了深入分析。實驗結(jié)果揭示：當(dāng)后傾角保持不變時，PDC鉆頭齒所受的軸向力與水平方向的切削力之間存在正比關(guān)系。

這套實驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，采用了更高測量精度的壓電式力傳感器。此外，通過使用高速攝像機，能夠捕捉到巖屑形成過程的高清圖像，這為理解PDC鉆頭齒的破巖機理提供了方便。

1.6 刻劃測試裝置

刻劃測試是一種利用刻劃刀以一定的截面積和速率沿巖石表面切削（刻劃）出1 條溝槽，來獲取巖石抗壓強度等力學(xué)特性參數(shù)的技術(shù)?？虅澰O(shè)備主要由以下部分構(gòu)成：刻劃驅(qū)動裝置、載荷測量儀、深度測量儀、水平測量儀、刻劃刀、巖石樣品固定裝置以及計算機采集和控制系統(tǒng)[14]。

在計算機控制下，刻劃刀以預(yù)設(shè)的恒定速率和深度對巖石樣本表面進行刻劃，計算機會實時采集和記錄刻劃刀的位移和受力數(shù)據(jù)。將這些受力數(shù)據(jù)代入刻劃測試的理論模型，就可以計算出巖石的抗壓強度。此外，刻劃實驗已被引入石油鉆井領(lǐng)域，主要用于預(yù)測PDC 鉆頭的巖石可鉆性等級以及研究PDC 鉆頭齒的破巖機理。

1.6.1 預(yù)測PDC 鉆頭鉆削巖石的可鉆性

韓艷濃等[14] 針對均質(zhì)砂巖和非均質(zhì)泥巖開展了刻劃測試實驗，并對刻劃測試技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性進行了驗證及分析。陳軍海等[15] 提出了一種求取PDC鉆頭巖石可鉆性級值的方法，在保持巖心整體結(jié)構(gòu)不被破壞的前提下，進行了全尺寸巖心強度的連續(xù)刻劃實驗，如圖7 所示，并利用刻劃巖石破碎比功的方法來求取PDC 鉆頭鉆削巖石的可鉆性級值。結(jié)果顯示，該方法得出的結(jié)果與巖石可鉆性微鉆實驗結(jié)果保持了良好的一致性。

1.6.2 PDC 鉆頭齒破巖機理研究

刻劃實驗設(shè)備設(shè)計允許設(shè)置特定的切削深度和切削速度， 因此通過更換刻劃夾具， 可探究不同類型PDC 鉆頭齒的破巖機理。CRANE 等[16] 利用圖7 的實驗設(shè)備對斧形齒和傳統(tǒng)圓形齒進行了刻劃實驗研究，研究結(jié)果顯示：在相同的實驗條件下，斧形齒的切向力和軸向力比傳統(tǒng)圓形齒的要小。更進一步發(fā)現(xiàn)：隨著巖石無側(cè)限抗壓強度增加，斧形齒的切向力和軸向力相對于傳統(tǒng)圓形齒的降低程度持續(xù)增大。

刻劃實驗相比之前的局部小區(qū)域取樣，改成了長距離大區(qū)域測試，這樣更好地考慮了巖石非均質(zhì)性對巖石強度的影響，可以獲取巖石強度剖面。且在實驗過程中，巖心整體結(jié)構(gòu)得以保留，提高了巖樣的利用率。然而，此類實驗要求巖石在塑性破壞模式下刻劃，因此其刻劃深度相對較小。

2 旋轉(zhuǎn)切削實驗

單齒旋轉(zhuǎn)切削破巖實驗的實施，使得可以更接近實際條件模擬PDC 鉆頭的鉆進狀態(tài)。早期的實驗由于受到實驗場地和裝備的限制，采用的巖石樣本尺寸較小，研究的主要焦點在于探討PDC 鉆頭齒的破巖機理。然而，隨著近年來切削測試設(shè)備的進步和升級，得以使用更大尺寸的巖石樣本，使PDC 鉆頭齒能夠執(zhí)行長距離（如超過萬米）的連續(xù)切削，從而能更深入地評估PDC 鉆頭齒的關(guān)鍵性能（如耐磨性和熱穩(wěn)定性等）。

因此，可以根據(jù)切削距離的不同，將旋轉(zhuǎn)切削實驗分為2 類：一類是小切削半徑旋轉(zhuǎn)切削實驗，這類實驗主要集中在解析PDC 鉆頭齒的破巖機理上；另一類是長距離連續(xù)切削實驗，該類實驗的目標(biāo)是在類似實際鉆進條件下評估PDC 鉆頭齒的核心性能。

2.1 車床改裝的旋轉(zhuǎn)實驗裝置

圖8 展示的PDC 鉆頭單齒旋轉(zhuǎn)破巖實驗裝置是由臥式車床改裝而來的[17]，其主要構(gòu)成部分包括車床、巖樣卡盤、三軸測力計、定位裝置、鎖緊裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、巖樣以及PDC 鉆頭齒。

圖8 的實驗裝置所使用的巖樣為圓柱體，其尺寸為? 220 mm × 150 mm。為了能精確控制切削開始點的深度， 通常在巖樣的半徑方向上預(yù)先加工1 條深切槽[18]。PDC 鉆頭齒被固定在鋼質(zhì)刀柄上，而刀柄則連接到三軸測力計上，從而通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄PDC 鉆頭齒的切向力和軸向力。定位裝置可在徑向和軸向2 個方向上調(diào)整PDC 鉆頭齒的位置，并利用鎖緊裝置將切削齒的位置固定。在鎖定位置后，PDC 鉆頭齒通過機床的旋轉(zhuǎn)在巖石端面上切削出預(yù)設(shè)深度的弧槽。

鄒德永等[19] 利用圖8 的實驗裝置進行了PDC 鉆頭齒單齒受力實驗。實驗結(jié)果表明，PDC 鉆頭齒的切削力和正壓力都與切削面積和接觸弧長的乘積具有顯著線性關(guān)聯(lián)。梁爾國等[20] 也在此實驗裝置上研究了PDC 鉆頭齒在重疊切削狀態(tài)下的受力情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在相同切削面積下，PDC 鉆頭齒的受力隨接觸弧長的增大而增大。

旋轉(zhuǎn)切削方式更接近實際的鉆井工作環(huán)境。圖8的設(shè)備優(yōu)點是包括小尺寸的巖樣鉆削需求容易滿足，然而，由于巖樣尺寸較短，需要頻繁更換巖樣，無法進行長距離的連續(xù)穩(wěn)定切削，因此無法測試PDC 鉆頭齒的耐磨性和熱穩(wěn)定性。

2.2 鉆銑床改裝的旋轉(zhuǎn)實驗裝置

圖9 展示了一種改裝自鉆銑床的微PDC 鉆頭巖石耐磨性實驗裝置[21]，其主要構(gòu)成包括加壓旋轉(zhuǎn)組件、增壓組件、壓力測定傳感器、切削深度控制組件、測定組件、微PDC 鉆頭和巖樣。在常壓條件下，鉆銑床能以一定的鉆壓和恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動微PDC 鉆頭旋轉(zhuǎn)切削巖石，同時以固定的水平速度移動巖樣。

2003 年，鄒德永等[21] 使用圖9 的實驗裝置進行了PDC 微鉆頭巖石耐磨性實驗。選擇的PDC 鉆頭齒直徑為13 mm，后傾角為20°，側(cè)轉(zhuǎn)角為13°，旋轉(zhuǎn)半徑為10 mm。實驗測定了不同巖性巖石的研磨性系數(shù)，并基于摩擦磨損原理推導(dǎo)出了PDC 鉆頭齒磨損壽命的預(yù)測模型。然而，圖9 所示的實驗裝置的旋轉(zhuǎn)切削半徑過小，與實際工況存在較大偏差。同時，受限于其行進軌跡、轉(zhuǎn)速等鉆進參數(shù)，此實驗裝置無法對PDC 鉆頭齒的耐磨性和熱穩(wěn)定性進行有效測試。

2.3 國內(nèi)磨耗比實驗裝置

PDC 鉆頭齒的耐磨性測試在全球范圍內(nèi)尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在21 世紀初，我國的生產(chǎn)廠家曾使用《人造金剛石燒結(jié)體磨耗比測定方法》（JB/T 3235-1999）（以下簡稱“ 磨耗比” ） 來測試PDC 鉆頭齒的耐磨性[22]。圖10 為磨耗比測定儀示意圖，其主要由卡具、燒結(jié)體試樣（包含鉆頭齒等）、固緊夾座、被動缸活塞、砝碼、砝碼托盤、主動缸活塞、液壓油管以及擺動工作臺等組成[23]。

PDC 鉆頭齒在規(guī)定條件下研磨綠碳化硅標(biāo)準(zhǔn)砂輪，砂輪的磨損質(zhì)量Ms 與PDC 鉆頭齒的磨耗質(zhì)量Mj 的比值即為該其磨耗比E。

然而，趙云良等[23] 提出，采用磨耗比來測試PDC鉆頭齒的耐磨性存在3 個關(guān)鍵的缺陷：（1）磨耗比測試的軌跡和環(huán)境與PDC 鉆頭齒在實際鉆井中的工況有顯著差異；（2）被切削的綠碳化硅砂輪材料與實際鉆井環(huán)境中遇到的巖石巖性相差甚遠；（3）測試后，PDC 鉆頭齒的磨損量微小，由此產(chǎn)生的稱量誤差使測試結(jié)果的可信度受到質(zhì)疑。

另外，自2010 年以來，以錐形齒、屋脊齒等異形齒為代表的鉆頭在石油與天然氣鉆井工程中得到了廣泛應(yīng)用[24]。而磨耗比測量方法無法準(zhǔn)確反映這些異形齒幾何結(jié)構(gòu)的變化對其耐磨性影響。因此，當(dāng)前的PDC鉆頭齒及鉆頭生產(chǎn)商已經(jīng)不再使用磨耗比來測試和評價PDC 鉆頭齒的耐磨性能。

2.4 VTL 實驗裝置

立式轉(zhuǎn)塔車床（vertical turret lathe， VTL）已主要用于測試PDC 鉆頭齒的耐磨性和熱穩(wěn)定性，其實驗結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)用的反饋具有良好的一致性。盡管VTL并未被確立為PDC 鉆頭齒的國際標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備，但已被諸如斯倫貝謝[25]、貝克休斯[26]、國民油井[27]、哈里伯頓[28] 等國際知名油服公司廣泛采用?，F(xiàn)如今，VTL 已經(jīng)成為評估PDC 鉆頭齒性能以及進行新鉆頭性能測試研發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備。

借鑒美國鉆頭企業(yè)的成功經(jīng)驗， 中國石油大學(xué)（北京） 自行構(gòu)建了VTL 實驗裝置， 如圖11 所示。圖11 的設(shè)備主要包括旋轉(zhuǎn)工作臺、立柱、帶滑軌的橫梁、巖石試樣、三向力傳感器、熱電耦、數(shù)控操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像機、PDC 夾具以及PDC 鉆頭齒。

實驗過程中，直徑為1 100 mm 的巖石試樣被固定在VTL 的旋轉(zhuǎn)工作臺上，在電機的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)。立柱具有水平方向和垂直方向的2 個自由度，使PDC 鉆頭齒能夠在水平方向上進行線性切削，并在垂直方向上對巖石進行設(shè)定深度的吃入。通過數(shù)控系統(tǒng)，VTL 能夠控制PDC 鉆頭齒在水平方向的進給速度和巖石的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)PDC 鉆頭齒在巖石表面以設(shè)定吃入深度、設(shè)定切削速度進行連續(xù)切削。三向力傳感器安裝在PDC 鉆頭齒的上方，其采集精度可達20 000 Hz。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r收集傳感器信號，并通過計算機進行顯示、存儲和處理。

圖12 為高速攝像機拍攝的巖屑狀態(tài)。如圖12 所示：在實驗過程中，高速攝像機能夠?qū)DC 鉆頭齒的切削破巖過程進行高幀率、高分辨率的圖像捕捉，在最大分辨率為1 024 × 1 024 的條件下，其最高幀率可達12 800 幀/s。

VTL 實驗根據(jù)有、無冷卻液，又分為干磨實驗和濕磨實驗。

（1）干磨實驗：指在切削過程中不引入冷卻液，以此來測試PDC 鉆頭齒在連續(xù)切削過程中的熱穩(wěn)定性。隨著切削距離的延長，由摩擦產(chǎn)生的熱量逐漸聚集，直至超過PDC 鉆頭齒的臨界溫度，這將導(dǎo)致PDC鉆頭齒的聚晶金剛石層發(fā)生熱損傷。如果在實驗過程中，PDC 鉆頭齒的磨損超過了聚晶金剛石層與基體的界面，將其定義為磨損失效，且當(dāng)達到失效狀態(tài)時所切削的距離被定義為失效切削距離。在相同的測試條件下，PDC 鉆頭齒的失效切削距離越長，其熱穩(wěn)定性就越好。

脫鈷深度是影響PDC 鉆頭齒熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。因此，干磨實驗前需使用X 射線測量PDC 鉆頭齒的脫鈷深度，如圖13a 所示。同時，需利用3D 輪廓測量儀測量PDC 鉆頭齒的幾何尺寸，如倒角角度、倒角寬度、金剛石層厚度等，如圖13b 所示。

圖14 展示了1 組典型的VTL 干磨實驗結(jié)果， 其中2 號齒的失效切削距離大于1 號齒的，這意味著2 號齒的熱穩(wěn)定性優(yōu)于1號齒的熱穩(wěn)定性。

（2）濕磨實驗：是在PDC 鉆頭齒切削過程中引入冷卻液，根據(jù)實驗?zāi)康牟煌?，可選擇冷卻水、水基鉆井液、油基鉆井液等作為冷卻液。濕磨實驗更接近井下的PDC 鉆頭齒工作環(huán)境，可以消除熱穩(wěn)定性單一的影響，從而更全面地測試PDC 鉆頭齒的耐磨性。

圖15 展示了1 組典型的濕磨實驗結(jié)果。在相同切削參數(shù)下，4 號齒比3 號齒具有更優(yōu)的耐磨性。PDC鉆頭齒的磨損面積是通過3D 輪廓測量儀測量的，如圖16 所示。

RAHMANI 等[27] 對圓形齒和3D 齒進行了VTL 干磨和濕磨實驗，其實驗裝置和實驗參數(shù)基本與圖11 的相同。實驗結(jié)果表明：改變PDC 鉆頭齒的幾何形狀會影響VTL 干磨、濕磨的測試結(jié)果，但不會改變PDC 鉆頭齒本身的耐磨性和熱穩(wěn)定性，這兩項性能完全取決于PDC 鉆頭齒聚晶金剛石層的質(zhì)量。

PLEMONS 等[30] 研制了1 款新型PDC 鉆頭齒，與傳統(tǒng)的1 次高溫高壓處理不同，新型復(fù)合片經(jīng)過了2次高溫高壓壓制。新型鉆頭齒的VTL 干磨實驗證明，新型PDC 鉆頭齒的熱穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)PDC 鉆頭齒的。然而，文中并未充分探討2 次高溫高壓處理與深度脫鈷處理的優(yōu)異性，以及2 次或多次高溫高壓處理是否能替代傳統(tǒng)的脫鈷處理。

趙東鵬等[31] 通過VTL 裝置對屋脊齒（也稱“斧形齒”）和同規(guī)格的圓形齒進行了耐磨性對比實驗。在相同的20°后傾角條件下，屋脊齒相比圓形齒的耐磨性提高約40%，且切削過程中需施加的載荷更小。然而，該研究并未考慮PDC 鉆頭齒幾何形狀（切削齒工作面積）對實驗結(jié)果的影響。另外，王濱等[32] 利用VTL裝置研究了錐形齒的耐磨性，實驗結(jié)果顯示：當(dāng)錐頂角一定時，其后傾角在12°～17°時，錐形齒的耐磨性最好。

相較于其他切削實驗裝置，VTL 實驗裝置具有以下優(yōu)點：（1）PDC 鉆頭齒直接與巖樣接觸，其磨損結(jié)果綜合考慮了破巖過程中的沖擊振動；（2）利用現(xiàn)代數(shù)控機床聯(lián)合計算機系統(tǒng)，可調(diào)整的鉆進參數(shù)更多，且參數(shù)設(shè)定更精確；（3）PDC 鉆頭齒的行進距離和磨損量大，從而降低了測量誤差；（4）PDC 鉆頭齒在VTL上的切削距離和行進軌跡與現(xiàn)場工況更為相符，從而能更真實地反映PDC 鉆頭齒在井下的破巖方式。

2.5 高壓單齒破巖實驗裝置

貝克休斯公司的可視化單齒（ visual single pointcutter， VSPC）實驗系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于PDC 鉆頭齒的實驗研究中，如圖17 所示。該系統(tǒng)包括壓力容器、旋轉(zhuǎn)巖樣工作臺、巖樣、礦物油、帶有20°后傾角的夾具、三向力傳感器和PDC 鉆頭齒[33]。獨特的設(shè)計使得該實驗裝置能夠模擬實際鉆探中的圍壓環(huán)境對巖石塑性特性的影響，進而考察這些因素對PDC 鉆頭齒破巖效果的影響。

實驗過程中，PDC 鉆頭齒與巖樣都被置于充滿礦物油的壓力容器內(nèi)，通過調(diào)節(jié)礦物油的壓力，模擬不同的巖石圍壓環(huán)境。在軸向載荷或軸向位移控制下，PDC 鉆頭齒被壓入巖石，而巖石則在工作臺的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，同時由PDC 鉆頭齒切削。該裝置配備了2 個可視窗口，允許在實驗過程中直接觀察PDC 鉆頭齒的正面和側(cè)面巖屑形成過程，如圖18 所示，巖屑的產(chǎn)生過程被高速攝像機詳細記錄下來[34]。這種可視化的設(shè)計使得研究者能夠詳細觀察并記錄在圍壓條件下PDC鉆頭齒的破巖過程，為PDC 鉆頭齒破巖機理的深入研究提供了有力的實驗條件。類似的設(shè)備還包括塔爾薩大學(xué)的高壓單齒破巖實驗裝置，如圖19 所示。該裝置能夠設(shè)置的參數(shù)較為豐富，主要包括：操作參數(shù)（如切削深度、孔隙壓力、巖樣圍壓、井眼壓力和旋轉(zhuǎn)速率）以及切削齒參數(shù)（如切削齒的尺寸、后傾角和側(cè)傾角）。實驗中使用的加壓流體介質(zhì)是性質(zhì)穩(wěn)定的礦物油[35-37]。

在圖19 的具體實驗中，巖樣被固定在試樣夾上，然后PDC 鉆頭齒在向下的垂直力作用下，以設(shè)定的后傾角和側(cè)轉(zhuǎn)角壓入巖石，再通過驅(qū)動裝置旋轉(zhuǎn)巖石，使得PDC 鉆頭齒在巖石表面切削形成槽。PDC 鉆頭齒所受的壓力狀態(tài)、轉(zhuǎn)速和刀具位置等參數(shù)由傳感器測量，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以400 Hz 的采樣頻率進行數(shù)據(jù)采集。

圖19 的高壓單齒破巖實驗裝置彌補了VTL 實驗裝置無法模擬圍壓環(huán)境的缺點，使實驗條件更接近實際鉆探情況。然而，由于需要模擬圍壓環(huán)境，也限制了實驗中的巖石試樣尺寸、PDC 鉆頭齒的切削軌跡和行進距離，這是相比VTL 裝置存在的缺點。

3 PDC 單齒靜壓實驗

PDC 單齒靜壓實驗根據(jù)測試目的不同可分為2 種：

（1） PDC 單齒靜壓巖石實驗。在這類實驗中，PDC 鉆頭齒在靜載荷作用下被壓入巖樣，主要關(guān)注的是巖樣的破壞情況。通過觀察并分析巖樣上產(chǎn)生的巖屑、壓入深度等指標(biāo)，可以表征PDC 鉆頭齒對巖石的切削效果；同時，這也反映出巖石對PDC 鉆頭齒切削入侵的抵抗能力。

（2）PDC 單齒過載實驗，此類實驗的目標(biāo)是研究PDC 鉆頭齒本身的破壞情況。實驗中，高硬度的材料如硬質(zhì)合金、工具鋼等被用作靶材，通過該實驗可以評估和表征PDC 鉆頭齒材料本身的韌性。

這2 種實驗方法互為補充，一方面研究了PDC 鉆頭齒在切削巖石過程中的效果， 另一方面又考察了PDC 鉆頭齒材料自身的性能，為改進和優(yōu)化PDC 鉆頭齒設(shè)計提供了重要依據(jù)。

3.1 PDC 單齒靜壓巖石實驗

圖20 為單齒靜壓實驗裝置，該裝置主要包括液壓式實驗機、位移傳感器、壓力傳感器、PDC 鉆頭齒以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[12]。在裝置中， PDC 鉆頭齒通過齒座固定在壓力傳感器上，而壓力傳感器則與液壓式萬能實驗機相連。同時，位移傳感器和壓力傳感器的信號經(jīng)由應(yīng)變儀轉(zhuǎn)化后傳輸至計算機進行數(shù)據(jù)采集。

實驗開始前，首先將巖樣放置于實驗機的平臺中心，并適當(dāng)調(diào)節(jié)平臺高度，使得齒尖與巖樣的距離約為1 mm，隨后對信號采集系統(tǒng)進行歸零處理。實驗過程中，通過實驗機對巖樣進行逐步加載，使得PDC 鉆頭齒逐漸吃入巖石，直到巖樣發(fā)生破裂。這一步完成后，立即卸去壓力載荷，保存采集的數(shù)據(jù)并收集巖屑。

在圖20 的實驗裝置上，楊迎新等[12] 對平坦的巖石樣本和帶有“巖脊”的巖石樣本進行了錐形齒的單齒靜壓實驗。實驗結(jié)果表明：與平坦的巖石樣本相比，巖脊上產(chǎn)生的裂紋更易于向自由面擴展，從而產(chǎn)生側(cè)向破碎，巖屑塊大，所需的破碎比功較小。

圖20 的實驗裝置具有其獨特的優(yōu)點，即只在垂直方向向下壓入巖石，因此設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、振動小，而且收集巖屑相對方便。然而，由于壓入深度對于實驗結(jié)果影響較大，因此該設(shè)備對位移傳感器、壓力傳感器、液壓實驗機的最大載荷等的要求較為嚴格。

3.2 PDC 單齒過載實驗

PDC 單齒過載實驗是將PDC 鉆頭齒在預(yù)設(shè)的角度下，緩慢壓入高硬度的靶材中。在整個壓入過程中，靶材并無水平方向上的移動[27]。逐漸增加對靶材的靜載荷，直到PDC 鉆頭齒產(chǎn)生裂紋為止。該實驗的結(jié)果能在一定程度上反映PDC 鉆頭齒的沖擊韌性。

RAHMANI 等[27] 對傳統(tǒng)的圓形齒和新型的3D 齒進行了過載實驗，實驗結(jié)果顯示：與圓形齒相比，3D 齒在失效時承受的最大載荷降低了13.6％～17.8％。因而推斷，由于3D 齒與靶材的接觸面積相較于圓形齒降低了約16%，因此這2 種齒的失效應(yīng)力應(yīng)在相同水平。

與動態(tài)的落錘沖擊實驗相比，靜態(tài)式的PDC 單齒過載實驗更有利于分析PDC 鉆頭齒的沖擊韌性， 并避免脆性材料沖擊實驗的固有離散性。然而，當(dāng)前的國內(nèi)外期刊對此類研究的報道較少。另外，此類實驗方法的準(zhǔn)確性依賴于裂紋的產(chǎn)生和擴展，但實驗過程中初期裂紋的產(chǎn)生難以捕捉，這限制了該方法的普遍應(yīng)用。

4 落錘沖擊實驗

落錘沖擊實驗是檢測PDC 鉆頭齒抗沖擊性最常用的方法。中國石油大學(xué)（北京）的落錘沖擊實驗裝置如圖21 所示，主要包括主機架、錘體組件、動力系統(tǒng)、抓脫錘裝置、試樣夾具、安全防護裝置和控制系統(tǒng)等。為了模擬PDC 鉆頭齒在實際鉆進過程中所經(jīng)歷的不同沖擊過程，可以設(shè)計特定的沖擊模式，并個性化設(shè)定錘頭與PDC 鉆頭齒的沖擊接觸關(guān)系。

落錘沖擊實驗并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，國際上主要的鉆頭公司都設(shè)有自己的測試方法和標(biāo)準(zhǔn)。雖然具體參數(shù)各異，但測試原理基本一致。首先，利用可精確控制的提錘裝置將一定質(zhì)量的錘體提升至預(yù)定高度；然后，釋放錘體，使之在重力作用下進行自由落體運動，沖擊試樣的能量由錘頭下表面與試樣上表面間的勢能差決定。

在實驗過程中，將PDC 鉆頭齒通過生產(chǎn)工藝焊接到夾具上，如圖22 所示，夾具具有預(yù)設(shè)的傾斜角度。通過控制系統(tǒng)設(shè)定一定的能量使錘體下落，模擬該能量下PDC 鉆頭齒所受的沖擊；逐漸增加沖擊能量，或在恒定沖擊能量下多次沖擊試樣，直到PDC 鉆頭齒達到預(yù)定的損壞程度。

圖23 為斧形齒的落錘沖擊實驗結(jié)果。如圖23a 所示：當(dāng)PDC 鉆頭齒的聚晶金剛石層表面首次出現(xiàn)微裂紋時，其沖擊能量為6 J。如圖23b 所示：當(dāng)該復(fù)合片沖擊損壞面積大于設(shè)定閾值時，對應(yīng)的沖擊能量為38 J。通過比較PDC 鉆頭齒在沖擊損壞時的能量等級，可以評估其抗沖擊性能。趙東鵬等[31] 在相似的落錘沖擊實驗裝置上，對屋脊齒與同規(guī)格圓形齒進行了落錘沖擊實驗，結(jié)果表明：在相同的實驗參數(shù)下，屋脊齒的抗沖擊性超過圓形齒的。然而，文中未明確指出屋脊齒的夾角、沖擊測試的重復(fù)次數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。

落錘沖擊實驗操作簡便，并可迅速評定PDC 鉆頭齒的抗沖擊性。然而，由于PDC 鉆頭齒的聚晶金剛石層屬于脆性材料，落錘沖擊的實驗結(jié)果離散性較大。為確保測試精度，建議對同一批次的PDC 鉆頭齒進行大量（超過6 次）的重復(fù)實驗，并對實驗結(jié)果進行可靠性分析。

圖11 的VTL 裝置也可用于測試PDC 鉆頭齒的抗沖擊性。VTL 裝置通過計算機語言設(shè)定切削過程，能夠模擬旋轉(zhuǎn)過程中PDC 鉆頭齒逐漸吃入巖石的動態(tài)過程，從而評估PDC 鉆頭齒的抗沖擊性。

5 全尺寸PDC鉆頭實驗

全尺寸PDC 鉆頭實驗是在實驗室中模擬井下鉆井環(huán)境，利用PDC 鉆頭鉆入各類巖石，在不同鉆壓和轉(zhuǎn)速參數(shù)條件下分析PDC 鉆頭的鉆進表現(xiàn)（如鉆速、穩(wěn)定性和井底痕跡等）。全尺寸PDC 鉆頭實驗是理論研究與現(xiàn)場實際應(yīng)用間的重要連接，其為鉆頭的幾何學(xué)、動力學(xué)和運動學(xué)研究，以及巖石的破碎力學(xué)研究提供了寶貴的實驗數(shù)據(jù)支持。此外，此類實驗還可評估PDC 鉆頭的性能，為優(yōu)化鉆頭設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

圖24 展示了中國石油大學(xué)（北京）的多功能鉆井模擬實驗裝置[38]。此裝置主要由液壓驅(qū)動裝置、液壓源、巖樣及加持裝置、控制臺和泥漿泵等部分構(gòu)成，適合進行直徑為4～13 英寸（1 英寸=2.54 cm） 的PDC鉆頭水平鉆進模擬實驗，其最大鉆壓、扭矩和轉(zhuǎn)速分別為250 kN、10 000 N·m 和 160 r/min。該設(shè)備配備了完善的實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實時測量并記錄實驗過程中的鉆壓、扭矩、鉆頭振動偏移量、泵壓、排量、進尺和瞬時機械鉆速等參數(shù)。此外， 完成實驗后的PDC 鉆頭切削軌跡和巖屑也可以用于分析鉆頭的切削效果。該裝置模擬了PDC 鉆頭在井下的實際工作環(huán)境，可以測試多尺寸定制鉆頭的破巖和井眼清潔性能，為鉆頭的切削結(jié)構(gòu)、水力結(jié)構(gòu)、動平衡和抗沖擊性設(shè)計及優(yōu)化提供依據(jù)。

圖25a 展示了用于實驗測試的6 英寸4 刀翼?13mmPDC 復(fù)合片鉆頭；而圖25b 則顯示了其實驗結(jié)束后，PDC 鉆頭在巖樣上留下的切削軌跡。

圖26 展示了3H-650A 型全尺寸鉆機示意圖[39]。在鄒德永等[39] 進行的實驗中， 在此實驗裝置上研究了PDC 鉆頭鉆進不同巖性巖石的性能。實驗中采用了人造巖石樣本，主要以水泥為主要材料，制備了3 種不同的巖石樣本，分別代表極軟、軟和中硬地層。實驗結(jié)果顯示：當(dāng)使用?19 mm 和?16 mm 鉆頭齒，且其后傾角為15°左右時，PDC 鉆頭的破巖效率最高；隨著布齒密度的增加，破巖效率逐漸降低；尤其是在可鉆性為Ⅲ級以下的巖石樣本中，布齒密度的影響尤其顯著。

圖27 展示了1 款全新的全尺寸鉆頭27 XY-2B 鉆機[40]。楊順輝[41] 利用這款設(shè)備，對含有錐形齒和常規(guī)圓形齒的混合布齒鉆頭進行了詳盡的鉆進實驗，這一混合型鉆頭成功融合了牙輪鉆頭和PDC 鉆頭的優(yōu)點。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)施加的鉆壓超過某一特定閾值時，混合型PDC 鉆頭的機械鉆速達到最高，為硬地層的高效鉆進提供了新的思路。

此外，全尺寸PDC 鉆頭實驗是一種在實驗室環(huán)境中，用以評估鉆頭整體性能的有效方法，能夠?qū)DC鉆頭鉆進不同巖性巖石的可行性進行實證測試。在這種實驗框架下，研究者可根據(jù)不同的鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩和排量等參數(shù)，觀察并分析PDC 鉆頭的鉆進表現(xiàn)。此類觀察和分析數(shù)據(jù)，對于指導(dǎo)和優(yōu)化PDC 鉆頭的設(shè)計至關(guān)重要。

6 結(jié)語及展望

關(guān)于PDC 鉆頭齒的相關(guān)實驗，根據(jù)研究目的可將其大致分為2 類：一是針對PDC 鉆頭齒的破巖機理進行的研究，二是針對PDC 鉆頭齒性能的測試研究。破巖機理的研究主要通過直線切削實驗、旋轉(zhuǎn)切削實驗、單齒靜壓實驗和全尺寸PDC 鉆頭實驗來進行，而性能測試研究主要基于VTL 實驗、落錘沖擊實驗、單齒靜壓實驗和全尺寸PDC 鉆頭實驗來進行。

（1）直線切削實驗是將PDC 鉆頭的旋轉(zhuǎn)鉆進過程進行線性簡化的一種方法。雖然該實驗設(shè)備簡單、操作方便且成本低，但其切削過程短暫且不連續(xù)，無法全面完成PDC 鉆頭齒的耐磨性和熱穩(wěn)定性測試。此外，切削距離和切削軌跡與PDC 鉆頭齒在井下的實際作業(yè)情況有較大差異。

（2）旋轉(zhuǎn)切削破巖實驗更接近PDC 鉆頭的實際鉆井條件。根據(jù)切削距離的不同，又可以進一步分為小半徑旋轉(zhuǎn)切削實驗和長距離連續(xù)切削實驗。前者主要用于研究PDC 鉆頭齒的破巖機理，而后者（尤其是VTL 實驗）可以完成PDC 鉆頭齒的長距離（萬米以上）連續(xù)切削，主要用于測試PDC 鉆頭齒的耐磨性和熱穩(wěn)定性，且實驗結(jié)果與現(xiàn)場反饋較為一致。

（3）PDC 單齒靜壓實驗可以細分為PDC 單齒靜壓巖石實驗和PDC 單齒過載實驗2 種。前者主要用于研究PDC 鉆頭齒的破巖效率，而后者主要研究PDC 鉆頭齒自身的沖擊韌性。

（4）落錘沖擊實驗是評估PDC 鉆頭齒抗沖擊性的常用方法，其測試結(jié)果對于研究PDC 鉆頭在軟硬夾層、含礫石巖層等非均質(zhì)地層的鉆進以及鉆頭在振動情況下所遭受的沖擊損壞具有重要參考價值。

（5）單齒實驗研究只能為PDC 鉆頭齒的個性化設(shè)計提供參考，但全尺寸PDC 鉆頭實驗?zāi)軌蚰M預(yù)測PDC 鉆頭在井下的鉆進效果，也可用于研究異形齒幾何參數(shù)、鉆頭切削結(jié)構(gòu)、鉆頭水力結(jié)構(gòu)、釬焊工藝等因素對PDC 鉆頭性能的影響。雖然全尺寸鉆頭實驗裝置和實驗流程相對復(fù)雜，且完全復(fù)制其井下工況具有一定的挑戰(zhàn)，但對于指導(dǎo)PDC 鉆頭的實際應(yīng)用具有很大的參考價值。

雖然國內(nèi)外各大PDC 鉆頭齒生產(chǎn)商大部分使用立式轉(zhuǎn)塔車床和落錘沖擊實驗機測試其耐磨性和抗沖擊性，然而卻存在著對于具體測試參數(shù)、巖性、尺寸、沖擊靶材以及沖擊方法的差異。這種缺乏統(tǒng)一性的情況導(dǎo)致各個廠商的測試數(shù)據(jù)庫無法相互通用，從而在行業(yè)內(nèi)形成了一定的隔閡。因此，建立一套統(tǒng)一的測試參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，逐步形成共識，將會極大地減少資源浪費，促進整個領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展。

同時，目前在異形齒評價方法方面仍然存在一定的挑戰(zhàn)。針對異形齒的特性認識尚不充分，大部分研究還停留在經(jīng)驗層面。為了更好地理解和評估異形齒的性能，制定一套系統(tǒng)的異形齒評價方法顯得尤為重要。這不僅可以提供更科學(xué)的性能評估手段，也能夠為異形齒的設(shè)計、生產(chǎn)和應(yīng)用提供更加可靠的依據(jù)。

作者簡介

李彥操，男，1977 年生，高級工程師。主要研究方向：鉆井完井設(shè)計管理、技術(shù)管理和新技術(shù)推廣。

E-mail：liyancao.slyt@sinopec.com

（編輯：周萬里）